KR100420535B1 - 보론함유 저탄소강을 이용한 박판 성형품 제작을 위한프레스 경화 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보론강을 소재로 하여 박판성형을 함에 있어, 열간프레스공법을 제공하는 바, 고온상태에서 산화스케일이 발생되는 것을 방지하기 위해 보론강 소재를 표면처리하는 제 1 공정과; 상기 제 1 공정에서 표면처리된 소재를 가열로에 투입하여 가열하는 제 2 공정과; 상기 제 2 공정에서 가열된 소재를 금형으로 이송하는 제 3 공정과; 상기 제 3 공정에서 금형으로 이송된 소재를 프레스성형하는 제 4 공정을 포함하고 있고, 상기 제 3 공정에서의 이송속도는 10초이내가 되는 것이 바람직하고, 또한 상기 프레스성형시 금형이 냉각되도록 하고 있다.

Description

보론함유 저탄소강을 이용한 박판 성형품 제작을 위한 프레스 경화 공정 {Press-Hardening Process using boron-added Low carbon steel}

본 발명은 경화능이 우수한 보론강(Boron Steel)을 프레스 성형하는 공정에 관한 것으로 보다 상세하게는 보론강을 가열하여 프레스 성형 및 열처리를 통해 고강도, 고경도의 프레스 성형품을 만드는 공정에 관한 것이다.

보론강은 고가의 원소인 Ni, Cr, Mo 대신에 B을 첨가하여 담금질성을 향상시킨 강으로 인성과 내충격성이 우수하며 특히 고강도, 고경도, 내마모성을 갖는 강종이다.

기존의 열간 프레스 공정은 냉간 상태에서 가공하기가 어려운 두께(예 10mm, 5mm) 이상의 소재를 성형하기 위해서 사용되고 있으나 2, 3mm 이내의 두께가 얇은 박판의 소재에 대해서는 사용되고 있지 않다.

따라서 두께가 얇은 박판을 사용하여 경량화를 크게 필요로 하는 자동차 부품 및 자동차용 보강재 등을 생산하는 데 있어서, 기존의 보강재는 최고 60kgf/mm²정도의 인장강도를 갖는 소재를 냉간 상태에서 프레스 성형을 통해 제품을 제작하는데, 이 정도의 인장강도를 갖는 소재는 드로잉공정이 매우 어렵기 때문에 여러 번의 공정을 거쳐 성형해야 하므로 제조공정비가 높아지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 보론강으로 박판을 성형함에 있어서, 제작공정을 단순화할 수 있는 프레스성형방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 보론강을 소재로 박판성형이 가능한 열간프레스성형방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 성형된 제품의 물성을 증대시킬 수 있는 프레스성형방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 기타 다른 목적은 이하의 상세한 설명과 첨부된 도면을 통해 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 프레스 경화공정의 제작 공정도

도 2는 도 1에 따른 경화공정 전의 소재 조직도

도 3은 도 1에 따른 경화공정 후의 소재 조직도

도 4a와 도 4b는 각각 도 1의 공정에서 소재 두께에 따라 금형의 냉각방식을 설명하는 금형의 개략도

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1a : 원소재 1b : 완성 제품

2 : 가열로 3a : 롤러 콘베이어(서행이송부)

3b : 롤러 콘베이어(급속이송부) 3c : 자동이송 장치

4 : 유압프레스 5a, 5b : 금형

6 : 냉각기 7 : 냉각수 탱크

8 : 냉각수 관 9 : 금형냉각 수조

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 고온상태에서 산화스케일이 발생되는 것을 방지하기 위해 보론강 소재를 표면처리하는 제 1 공정과; 상기 제 1 공정에서 표면처리된 소재를 가열로에 투입하여 가열하는 제 2 공정과; 상기 제 2 공정에서 가열된 소재를 금형으로 이송하는 제 3 공정과; 상기 제 3 공정에서 금형으로 이송된 소재를 프레스성형하는 제 4 공정을 포함하는 보론강의 프레스경화공정을 제공한다.

본 발명에서 상기 표면처리하는 공정에서는 일반크롬도금, 경질크롬도금, 니켈도금, 용융아연도금, 아연도금 후 크로메이팅 중 택일할 수 있다.

본 발명에서 또한 상기 가열로는 전기로 또는 가스로 중에서 선택할 수 있다.

본 발명에서 또한 상기 가열로는 컨베이어를 더욱 포함하고 있고, 컨베이어에 의해 이송되면서 가열되는 것이 바람직하다.

상기 가열로에서 가열된 소재는 급속이송부와 자동이송부를 통해 상기 제 3 공정이 행해지고, 상기 가열로에서 이송되는 속도 보다 상기 제 3 공정에서 이송되는 속도가 빠른 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 제 3 공정에서의 이송시간은 10초 이내로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 제 4공정에서 금형을 냉각시켜 축열을 억제하며 금형을 통해 피소재를 냉각하는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용하는 소재는 경화능의 향상을 위해 보론이 첨가된 탄소강(이하, "보론강"이라 한다.)으로 보론의 함유량이 0.0005-0.007wt%인 것을 사용한다.

이 보론강에는 기타 탄소강의 기본구성요소인 규소, 망간, 황, 인, 탄소 등이 포함되어 있음은 당연하다.

본 발명의 공정은 열간 성형으로 약 900℃정도까지 가열된 상태에서 성형하게 되므로 고온상태에서의 산화스케일이 큰 문제가 된다. 산화스케일이 발생할 경우 프레스에서의 성형 및 냉각 공정에서 연속작업이 곤란하고 제품의 정밀도를 떨어뜨리게 된다. 이를 해결하기 위하여 전체 공정을 환원분위기에서 진행할 수도 있으나, 이는 거의 실현불가능한 고비용이 요구되므로 먼저 소재에 전처리 공정을 행한다.

전처리 공정은 표면처리공정으로, 용융아연도금, 일반크롬도금, 경질크롬도금, 니켈도금, 아연도금 후 크로메이팅처리 등과 같은 방식이 있고, 이들 중 한가지 방식을 선택하는 것이 가능하다.

각 방식에 따른 특별한 조건은 없으며 단지, 타 방식에 비해 용융아연도금 또는 아연도금 후 크로메이팅 방식의 경제성 측면에서 우수하다고 볼 수 있다.

이렇게 전처리된 소재(1a)는 도 1에 도시된 바와 같이, 가열로(2)에서의 가열단계와, 급속 이송부(3b) 및 자동이송 장치(3c)에 의한 이송단계와, 금형에 의한 프레스성형단계를 거쳐 완성품(1b)이 된다.

상기 가열로(2)는 전기로 또는 가스로 일 수 있으며(전기로는 취급이 용이하다는 장점이 있으나 가스로는 취급이 불편한 반면에 경제성 측면에서 비교우위에 있음), 가열온도는 소재의 두께에 따라 다르나, 대략 900℃에서 950℃정도에서 소재가 충분히 오스테나이트 변태가 되도록 유지하는 것이 필요하고, 예를 들어 1.2mm두께인 경우에는 약 3분 가량을 가열로에서 가열한다. 가열로는 공정의 자동화를 위해 서행 이송부(3a)에 의해 이송되면서 가열되는 것이 바람직한 바, 이 이송부는 롤러 컨베이어(3a)로서, 그 속도는 소재의 두께에 따라 조절되어 소재의 두께에 따라 충분히 변태되도록 한다.

상기 가열로(2)에서 충분히 가열되어 오스테나이트변태가 이루어진 소재는급속 이송부(3b) 및 자동이송 장치(3c)를 통해 금형으로 이송되는 바, 이송장치는 상기 서행 이송부(3a)에 비해 매우 빠르게 이루어져야 한다. 가열로(2)에서 나온 소재는 상온의 대기 중에 놓이면 900℃에서 초당 20℃정도의 속도로 온도가 떨어지므로 소재 이송 시 과도한 시간이 경과하면 열처리상태에 심각한 영향을 미치게 된다.

오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변태는 급속한 냉각조건을 필요로 하는데 이는 오스테나이트에서 펄라이트 및 페라이트의 형성을 억제하여 순수 마르텐사이트로의 변태를 이루기 위함. 소재이송 시 과도한 시간이 경과한다함은 공냉의 상태에 소재가 놓임을 의미하고 이는 공냉의 조건로 오스테나이트가 변태됨으로, 원하는 마르텐사이트의 조직변태를 이룰 수 없음을 의미한다. 오스테나이트에서 펄라이트 변태 시작온도는 대략 700 도 이하에서 이루어짐으로 최소한 공냉에 의한 소재의 냉각(이송시 소재가 대기 중에 놓이는 상태)은 700℃ 이상에서 마무리되어야 한다.

그러므로 천천히 구동되는 가열로(2)내의 롤러 컨베이어(3a)와 달리 가열로 끝단에서 금형까지의 소재이송은 매우 빠른 구동장치를 통해 진행되어야 하며, 대기 중에 소재가 머무는 시간이 10초를 넘기지 않도록 하는 것이 바람직하다. 따라서 가열로의 이송부는 소재투입부에서 가열되기까지의 서행이송부(3a)와 소재 출구부분에서 금형까지의 급속이송부(3b)로 나뉘어진다.

급속 이송부(3b) 및 자동이송 장치(3c)에 의해 이송된 소재는 금형(5a)(5b)을 구비한 프레스(4)에 의해 성형되는 바, 상기 상,하금형(5a)(5b)는 고온소재를성형하면서 소재의 열이 전도되어 금형내에 축열문제가 발생하게 된다. 따라서 금형의 축열을 일정온도 예를 들어 60-80℃이하로 억제하는 것이 필요하게 되고, 본 실시예에서는 냉각수관(8)을 통해 냉각수를 금형(5a)(5b)에 공급하고, 이 냉각수관(8)은 냉각기(6)와 연결되어 지속적으로 냉각수를 공급할 수 있도록 한다. 냉각수 탱크(7)는 금형을 냉각시킨 물을 받아 냉각기(6)로 보내어 열을 방출한 후 냉각수관을 통해 저온의 냉각수를 금형으로 공급하게 된다.

도 4a는 소재의 두께가 2mm 이하인 경우 금형의 냉각방식을 설명하는 도면으로, 상형(5a)과 하형(5b)에 냉각홀을 뚫어 냉각수를 순환시키는 방식을 채택하고 있다.

도 4b는 소재의 두께가 2mm 보다 클 경우의 냉각방식을 설명하고 있으며, 이 방식은 금형이 잠길 수 있는 금형냉각수조(9)를 추가로 구성하고 있다.

금형냉각수조(9)의 하부에는 하부프레스가 있고, 금형냉각수조의 내부저면에는 탄성수단인 스프링(11)이 위치하고, 스프링(11)의 상부에는 하형(5b)이 위치하고 있고, 냉각수는 하형(5b)의 윗면보다 약간 낮게 수위를 유지하도록 한다.

프레스에 의해 성형하기 위해 상부금형(5a)이 하부금형(5b)을 가압하면, 하부금형(5b)아래의 스프링(10)을 밀착시키게 되고, 상부금형(5a)와 하부금형(5b) 및 그 사이의 소재(미도시)는 충분히 금형냉각수조(9)의 냉각수에 잠기게 된다. 소재와 금형이 냉각된 후 다음 소재를 성형하기 전에 금형냉각수조(9)의 물은 냉각수 탱크(7)로 배출하거나 상기 냉각수관(도 1의 8)을 통해 다시 금형냉각수조(9)로 보내어진다.

참고로 도 2는 본 발명의 소재를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명에 따라 열간성형공정을 거친 소재의 조직을 도시하고 있고, 본 발명에 따른 최종제품은 마르텐사이트조직으로 이루어지고, 150kgf/mm²급의 인장강도를 가지게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 자동차 등의 보강재와 같이 가벼우면서도 강도와 강성이 동시에 요구되는 경우, 고강도 판재는 복잡한 형상에 대하여 필요한 성형성을 갖지 못하고, 반대로 성형이 잘되는 판재는 제품에서 요구되는 충분한 강도를 갖지 못하는 한계를 극복하여, 고강도 소재를 가열하여 성형성을 높인 열간상태에서 프레스성형함으로써, 동시에 열처리를 하여 성형성의 문제를 해결하고 더불어 원소재보다 2.5배 이상의 높은 강도 물성을 갖춘 제품을 생산할 수 있도록 하고 있다.

따라서 본 발명의 공정을 이용하여 박판형태의 자동차부품 (예를 들어 범퍼보강재, 필라보강재, 도아보강재, 컨트롤암, 시트프레임 등)을 제작할 경우 안전성과 경량화(기존부품보다 약 30-40wt%정도의 무게절감)를 동시에 만족시키는 효과를 얻게된다.

즉, 기존의 범퍼 보강재를 예로 들면, 범퍼보강재는 인장강도 590Mpa 정도의 냉연 소재를 냉간상태에서 프레스로 제작하여 사용하는데, 일부 범퍼 보강재의 경우 무게는 8-9Kg 정도에 이른다. 이는 본 발명에 따라 제조된 범퍼보강재의 5.5 Kg에 비하여 약 30 - 40 % 정도의 중량이 더 나가는 것으로 이는 기존의 범퍼보강재는 충돌성능을 만족시키기 위하여 중앙의 범퍼 커버(Fascia)를 받쳐주는 보강재외에 또 다른 보강재가 추가됨으로 전체적인 중량이 늘어나게 된다. 반면에 본 발명에서는 범퍼보강재는 안장강도가 매우 높음으로 추가적인 보강재가 필요 없이 충돌성능을 만족시킴으로 그만큼의 경량화 효과가 있게된다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하였으나, 이는 예시이며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 다양한 변화와 변형이 가능할 것이나, 이러한 변형과 변화는 모두 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 첨부된 청구범위를 통해 알 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 고온상태에서 산화스케일이 발생하는 것을 방지하기 위해 두께 3mm이하의 보론강(보론 0.0005-0.007wt%인 탄소강) 소재를 표면처리하는 제1공정과;

   상기 제1공정에서 표면처리된 소재를 가열로에 투입하고, 충분히 오스테나이트 변태가 이루어지도록 900 ~ 950℃ 로 가열하는 제2공정과;

   상기 제2공정에서 가열된 소재를, 700℃ 이상인 상태로 신속히 금형으로 이송함으로써, 상온에서의 느린 온도저하로 인해 펄라이트 및 페라이트 조직화되지 않도록 하는 제3공정과;

   상기 제3공정에서 이송된 소재를, 내부에 냉각수가 통유되는 구조로서 소재와의 접촉으로 인한 축열을 80℃ 이하로 유지하는 상기 금형을 통해 급속히 냉각하여 마르텐사이트 조직화함과 동시에 프레스 성형하는 제4공정

   을 포함하는 보론강의 프레스 경화방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1공정은

   일반크롬도금, 경질크롬도금, 용융아연도금, 니켈도금, 아연도금 후 크로메이팅 중의 하나인 것을 특징으로 하는 보론강의 프레스 경화방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,

   상기 금형은 냉각수가 담긴 저수조에 잠기게 됨으로써 냉각되는 것을 특징으로 하는 보론강의 프레스 경화방법.
7. 상기 제1항의 각 공정을 순차적으로 거쳐 제작된 보론강 성형품.